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KR100893718B1 - Smart Antenna with Adaptive Convergence Parameter - Google Patents

Smart Antenna with Adaptive Convergence Parameter Download PDF

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KR100893718B1
KR100893718B1 KR1020037000182A KR20037000182A KR100893718B1 KR 100893718 B1 KR100893718 B1 KR 100893718B1 KR 1020037000182 A KR1020037000182 A KR 1020037000182A KR 20037000182 A KR20037000182 A KR 20037000182A KR 100893718 B1 KR100893718 B1 KR 100893718B1
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네오리치, 인코포레이티드
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Abstract

스마트 안테나(도2), 즉, 블라인드 적응성 안테나 배열(blind adaptive anntena array)은, 다중 접속 방해(multiple access interference)를 억제시키고 3세대(3G) CDMA2000 및 광대역(W)-CDMA를 포함하는 CDMA 무선 통신 시스템의 성능을 개선하는 방법 및 시스템이다. 스마트 안테나 프로세서(207)에 수렴 파라미터가 채용된다. 일반적으로, 일정한 수렴 파라미터 값은, 수렴 속도 및 정상 상태 MSE(steady state MSE) 또는 비트 에러율(bit error rate)과 같은 다른 성능을 검토한 후 경험적으로 결정 및 사용된다. 상기 수렴 파라미터는, 채널 환경이 변화할 때(이동 사용자는 일반적으로 돌아다니기 때문에 채널 환경은 실제로 변화한다.), 조잡한 성능을 산출한다. 본 발명에서, 수렴 파라미터 값은 적응성있게 변화되어 스마트 안테나 프로세서(207)에 채용된다. 수렴 파라미터를 업데이트하는 2개의 예시적 방법들이 설명된다. 그러한 적응성 수렴 파라미터 값을 채용함으로써, 수렴 속도가 증가되고 정상 상태 MSE가 감소될 수 있다.The smart antenna (FIG. 2), i.e. blind adaptive antenna array, suppresses multiple access interference and includes CDMA radio including third generation (3G) CDMA2000 and wideband (W) -CDMA. A method and system for improving the performance of a communication system. Convergence parameters are employed in the smart antenna processor 207. In general, a constant convergence parameter value is empirically determined and used after reviewing the convergence rate and other capabilities such as steady state MSE or bit error rate. The convergence parameter yields crude performance when the channel environment changes (the channel environment actually changes because the mobile user generally walks around). In the present invention, the convergence parameter values are adaptively changed and employed in the smart antenna processor 207. Two example methods of updating the convergence parameter are described. By employing such adaptive convergence parameter values, the convergence rate can be increased and the steady state MSE can be reduced.

스마트 안테나, 스마트 안테나 프로세서, CDMA, 수렴 파라미터, 적응성 수렴 파라미터.Smart Antenna, Smart Antenna Processor, CDMA, Convergence Parameters, Adaptive Convergence Parameters.

Description

적응성 수렴 파라미터를 갖는 스마트 안테나{Smart Antenna with Adaptive Convergence Parameter}Smart Antenna with Adaptive Convergence Parameter

본 발명은 무선 통신에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 코드 분할 다중 접속 무선 통신 시스템을 위한 새롭고 효율적인 스마트 안테나(smart antenna)에 관한 것이다. 만일 본 발명의 스마트 안테나가 기지국에 채용되고 희망 이동 사용자(desired mobile user)가 높은 빌딩들 주위를 움직인다면, 상기 스마트 안테나는 다른 기존의 스마트 안테나들보다 더 효율적으로 작용할 것이다. The present invention relates to wireless communication. More specifically, the present invention relates to a new and efficient smart antenna for code division multiple access wireless communication systems. If the smart antenna of the present invention is employed in a base station and a desired mobile user moves around tall buildings, the smart antenna will work more efficiently than other existing smart antennas.

3세대(3G) 무선 통신 시스템, 구체적으로는 광대역(W)-CDMA 또는 CDMA2000 표준으로 특정된 것들에서, 기지국은 스마트 안테나 기술을 채용할 선택권(option)을 갖는다. 스마트 안테나는 공간 다이버시티(spatial diversity)를 사용함으로써 희망 사용자들로부터의 서로 다른 DOAs(direction of arrival angles)의 방해 신호들(interferece signals)을 억제시킬 수 있다. 스마트 안테나 기술들은, 높은 질의 서비스 및 1.92Mbps와 같은 높은 데이터 속도로 더 많은 사용자들을 지원하기 때문에 최근 많은 주의를 끌고 있다. 최근에 효율적인 스마트 안테나 방식들이 나타났다. 그들 중 하나는 본원 발명자들에 의해 발명되고 미국예비특허번호 60/164,552에 계류중인 것이 있다. 기존 문헌 또는 발명들에서 고려하지 않은 많은 실제 환경 들을 포함하는 것이 합당할 것이다. In third generation (3G) wireless communication systems, specifically those specified by the Wideband (W) -CDMA or CDMA2000 standard, the base station has the option to employ smart antenna technology. Smart antennas can suppress interferece signals of different directions of arrival angles (DOAs) from desired users by using spatial diversity. Smart antenna technologies have attracted a lot of attention recently because they support more users with higher quality of service and higher data rates such as 1.92 Mbps. Recently, efficient smart antenna schemes have emerged. One of them is invented by the inventors and is pending in US Ser. No. 60 / 164,552. It would be reasonable to include many practical environments not considered in the existing literature or inventions.

예를 들어, 이동 사용자가 높은 빌딩들로 빽빽한 도시의 다운타운에서 돌아다니고 있는 경우, 희망 이동 사용자의 멀티패스 신호들(multipath signals)로부터의 DOA(direction of arrival angles)는 상기 이동 사용자 주위의 국부적 산란들(local scatters) 때문에 기지국 수신기에서 갑자기 변화할 수 있다. 이러한 현상을 "에지 효과"("edge effects")라고 부른다. 기지국에 있는 스마트 안테나의 역할들 중 하나는 우세한 멀티패스 신호들(dominant multipath signal)의 DOAs를 추적하는 것이다. 특히 상술한 에지 효과들이 빈번히 발생하는 경우에, 스마트 안테나 웨이팅 계수들(smart anntena weighting coefficients)의 수렴 속도(convergence speed) 및 DOA 추적 능력(DOA tracking capability)은 스마트 안테나의 설계에 있어 매우 중요한 이슈들(critical issues)이다. 스마트 안테나에 대한 기존의 문헌 또는 발명들의 대부분은 이러한 에지 효과들에 대한 것을 포함하지 않고, 전통적으로 일정한 수렴 파라미터(constant convergence parameter)를 채용되어 왔다. 에지 효과 환경 하에서 작은 MSE(mean square error, 제곱 평균 에러) 뿐 아니라 빠른 수렴 속도를 갖는 스마트 안테나에 대한 필요가 여전히 존재한다. 기존의 문헌 몇몇은, 예를 들어 NLMS(normalized least mean square)와 같은, 시변 적응성 수렴 파라미터(time-varying adaptive convergence parameter)를 고려한다. 또한, 미국특허번호 5,999,800(Choi)은 시변 라그랑지 곱수(time-varying LaGrange multiplier)를 채용한다. 그러나, 이러한 기존 문헌 또는 발명들은 본 발명과 다른 최적화 표준 또는 본 발명과 다른 적응성 방식들을 채용한다.For example, if a mobile user is roaming downtown in a dense city of tall buildings, the direction of arrival angles (DOA) from the multipath signals of the desired mobile user may be locally scattered around the mobile user. Local scatters may cause a sudden change in the base station receiver. This phenomenon is called "edge effects". One of the roles of the smart antenna at the base station is to track the DOAs of the dominant multipath signal. Especially in the case where the above mentioned edge effects occur frequently, the convergence speed and DOA tracking capability of smart antenna weighting coefficients are very important issues in the design of smart antenna. (critical issues). Most of the existing literature or inventions on smart antennas do not include these edge effects, and have traditionally employed a constant convergence parameter. There is still a need for smart antennas with fast convergence speed as well as small mean square error (MSE) under edge effect environment. Some existing literature considers time-varying adaptive convergence parameters, such as, for example, normalized least mean squares (NLMS). U. S. Patent No. 5,999, 800 (Choi) also employs a time-varying LaGrange multiplier. However, these existing documents or inventions employ optimization standards other than the present invention or adaptation methods different from the present invention.

블라인드 적응성 안테나 배열(blind adaptive anntena array)인 스마트 안테나는 다중 접속 방해(multiple access interference)를 억제시키고 3세대(3G) CDMA2000 및 W-CDMA와 같은 CDMA를 포함하는 무선 통신 시스템의 성능을 개선하는 방법 및 시스템이다. 스마트 안테나 프로세서에 어떤 파라미터가 채용된다. 일반적으로, 일정한 수렴 파라미터 값은, 수렴 속도 및 정상 상태 MSE(steady state MSE) 또는 비트 에러율(bit error rate)과 같은 다른 성능을 검토한 후 경험적으로 결정 및 사용된다. 수렴 파라미터 값이 증가함에 따라, 수렴 속도 또한 증가하지만 불행히도 MSE가 증가하고 그 역이 될 수도 있다. 일정한 수렴 파라미터를 갖는 스마트 안테나는, 채널 환경이 변화할 때(이동 사용자는 일반적으로 돌아다니기 때문에 채널 환경은 실제로 변화한다.), 조잡한 성능을 산출한다. 본 발명에서, 수렴 파라미터 값은 적응성있게 변화되어 스마트 안테나 프로세서에 채용된다. 수렴 파라미터를 업데이트하는 2개의 예시적 방법들이 설명된다. 그러한 적응성 수렴 파라미터 값을 채용함으로써, 수렴 속도가 증가되고 정상 상태 MSE가 감소될 수 있다. 시뮬레이션 테스트 결과들은, 기존 방식들에 비교해서 본 발명의 적응성 수렴 파라미터 방식들을 사용하는 스마트 안테나가 시변 페이딩 채널(time-varying fading channel) 및 에지 효과들 하에서 동작하는 CDMA 시스템에 대해 개선된 성능을 보여준다는 것을 확인하였다. 게다가, 본 발명에 따른 스마트 안테나들은 Choi와 같은 경쟁 발명보다 더 작은 계산 부담(computation loads)을 갖는다. Smart antenna, a blind adaptive antenna array, suppresses multiple access interference and improves the performance of wireless communication systems including CDMA such as 3G (3G) CDMA2000 and W-CDMA And system. Some parameters are employed in the smart antenna processor. In general, a constant convergence parameter value is empirically determined and used after reviewing the convergence rate and other capabilities such as steady state MSE or bit error rate. As the convergence parameter value increases, the convergence rate also increases, but unfortunately the MSE increases and vice versa. Smart antennas with constant convergence parameters yield crude performance when the channel environment changes (the channel environment actually changes as mobile users generally move around). In the present invention, the convergence parameter values are adaptively changed and employed in the smart antenna processor. Two example methods of updating the convergence parameter are described. By employing such adaptive convergence parameter values, the convergence rate can be increased and the steady state MSE can be reduced. Simulation test results show improved performance for a CDMA system in which a smart antenna using the adaptive convergence parameter schemes of the present invention compared to existing schemes operates under time-varying fading channel and edge effects. It was confirmed. In addition, smart antennas according to the present invention have smaller computational loads than competing inventions such as Choi.

본 발명에 따라, 무선 통신과 조합한 사용을 위해 신호를 수신하는 방법이 제공된다. 본 발명은 다중 안테나들(multiple antennas)에서 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 상기 수신된 신호는 적응성 수렴 파라미터를 사용하여 처리된다. 본 발명의 한가지 실시예에 따라, 상기 안테나들은 다중 안테나 배열(multiple antenna array)이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 상기 안테나들은 다중 안테나들이다. In accordance with the present invention, a method is provided for receiving a signal for use in combination with wireless communication. The present invention includes receiving a signal at multiple antennas. The received signal is processed using an adaptive convergence parameter. According to one embodiment of the invention, the antennas are a multiple antenna array. According to another embodiment of the invention, the antennas are multiple antennas.

본 발명의 한가지 실시예에 따라, 상기 수신된 신호는 다음에 따라 처리된다. According to one embodiment of the invention, the received signal is processed according to the following.

Figure 112003000346145-pct00001
Figure 112003000346145-pct00001

대안적 실시예에 따라, 상기 신호는 다음에 따라 처리된다.According to an alternative embodiment, the signal is processed according to the following.

Figure 112003000346145-pct00002
Figure 112003000346145-pct00002

그러나, 본 발명은 이러한 2개의 특정 알고리즘들에 한정되지 않으며, 이들은 다만 예시적인 것일 뿐이다. However, the present invention is not limited to these two specific algorithms, which are merely exemplary.

상기 처리 단계는 안테나들에 대한 DOA를 추정하는 단계를 포함하고, 상기 DOA는 다른 신호 데이터와 분리된다. 또한 더 양호한 웨이팅 계수(weighting coefficient)를 결정하는 단계를 포함한다. The processing step includes estimating the DOA for the antennas, which is separated from other signal data. It also includes determining a better weighting coefficient.

한가지 대안에 따라, DOA는 포워드 링크 전송(forward link transmission)에 이용된다. 또 다른 대안에 따라, DOA는 리버스 링크 전송(reverse link transmission)에 이용된다. 다른 대안들은 안테나들이 기지국, 또는 이동국에 있는 것을 포함한다. According to one alternative, the DOA is used for forward link transmission. According to another alternative, DOA is used for reverse link transmission. Other alternatives include antennas at a base station, or mobile station.

본 발명에 따라, 무선 통신과 조합된 사용을 위한 신호 수신 시스템을 더 제공한다. 상기 시스템은, 적응성 수렴 파라미터를 갖는 하나 이상의 안테나에 수신된 신호에 응답하는 적어도 하나의 신호 프로세서를 포함한다. 선택적으로, 상기 시스템은 상기 신호 프로세서에 연결된 전송기를 포함한다. 선택적으로, 상기 시스템은 상기 신호 프로세서에 연결된 수신기를 포함한다. 선택적으로, 상기 안테나들은 다중 안테나들을 포함한다. 선택적으로, 상기 신호 프로세서는 필터를 포함하고, 상기 필터는 적응성 수렴 파라미터를 갖는다. In accordance with the present invention, there is further provided a signal receiving system for use in combination with wireless communication. The system includes at least one signal processor responsive to a signal received at one or more antennas with adaptive convergence parameters. Optionally, the system includes a transmitter coupled to the signal processor. Optionally, the system includes a receiver coupled to the signal processor. Optionally, the antennas comprise multiple antennas. Optionally, said signal processor comprises a filter, said filter having an adaptive convergence parameter.

선택적으로, 상기 신호 프로세서는 안테나들에 대한 DOA의 측정을 포함하고, 상기 측정된 DOA는 다른 신호 데이터와 분리된다. 대안적으로, 상기 신호 프로세서는 더 양호한 웨이팅 계수의 결정을 더 포함한다. 대안적으로, 상기 측정된 DOA는 리버스 링크 전송으로부터 얻어진다. Optionally, the signal processor includes a measurement of a DOA for the antennas, wherein the measured DOA is separated from other signal data. In the alternative, the signal processor further includes a determination of a better weighting factor. Alternatively, the measured DOA is obtained from reverse link transmission.

한가지 실시예에 따라, 상기 시스템은 기지국을 포함하고, 상기 안테나들은 상기 기지국 내에 있게 된다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 시스템은 이동국을 포함하고, 상기 안테나들은 상기 이동국 내에 있게 된다. According to one embodiment, the system comprises a base station and the antennas are in the base station. According to yet another embodiment, the system comprises a mobile station and the antennas are in the mobile station.

본 발명의 여러 목적들, 특징들 및 이점들은 뒤따르는 도면들 및 상세한 설명으로부터 쉽게 명백해질 것이다. Various objects, features and advantages of the invention will be readily apparent from the following drawings and detailed description.

본 발명의 특징들, 목적들, 및 이점들은, 참조 숫자에 대응하여 식별되는 도면에 관련하여 이하에 나타난 상세한 설명으로부터 더 명백해질 것이다. The features, objects, and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description set forth below in connection with the drawings identified in correspondence with reference numerals.

도1은 본 발명의 한가지 실시예에 따라 구성된 CDMA 시스템에 대한 복소 PN 스프레드 전송기(complex pseudonoise spread transmitter)의 예시 모델이다.1 is an exemplary model of a complex PN complex spread transmitter for a CDMA system constructed in accordance with one embodiment of the present invention.

도2는 본 발명의 한가지 실시예에 따라 구성된 기지국 수신기의 전체 블록 다이아그램이다. 2 is an overall block diagram of a base station receiver constructed in accordance with one embodiment of the present invention.

도3은 본 발명의 한가지 실시예에 따라 구성된 최적 수렴 파라미터 알고리즘을 갖는 스마트 안테나 프로세서의 플로우 차트를 보여준다. 3 shows a flow chart of a smart antenna processor with an optimal convergence parameter algorithm constructed in accordance with one embodiment of the present invention.

도4는 본 발명의 한가지 실시예에 따라 구성된 발견적 수렴 파라미터 알고리즘(heuristic convergence parameter algorithm)을 갖는 스마트 안테나 프로세서의 플로우 차트를 보여준다. 4 shows a flow chart of a smart antenna processor with a heuristic convergence parameter algorithm constructed in accordance with one embodiment of the present invention.

도5는 단일 실현(single realization)과 반복(iteration)에 대한 어떤 시뮬레이션 DOA 추정 결과들을 보여주고, 이것은 본 발명의 한가지 실시예에 따라 구성된 스마트 안테나들이 더 빠른 수렴 속도를 갖고 더 작은 MSE(mean square error)를 갖는다는 것을 가리킨다.Fig. 5 shows some simulation DOA estimation results for single realization and iteration, in which smart antennas constructed in accordance with one embodiment of the invention have a faster convergence rate and a smaller mean square. error).

도6은 본 발명의 2가지 적응성 수렴 알고리즘들에 대한 도5로부터 분리된 2개의 곡선들을 보여준다. Figure 6 shows two curves separated from Figure 5 for two adaptive convergence algorithms of the present invention.

도7은 20ms의 프레임에서의 에지 효과 발생 수에 대한 어떤 시뮬레이션 BER(bit error rate) 결과들을 보여주고, 이것은 본 발명의 한가지 실시예에 따라 구성된 스마트 안테나가 에지 효과들 하에서 약간 더 좋은 성능을 보여준다는 것을 가리킨다. Fig. 7 shows some simulated bit error rate (BER) results for the number of edge effect occurrences in a frame of 20 ms, which shows that a smart antenna constructed in accordance with one embodiment of the invention shows slightly better performance under edge effects. Indicates.

본 발명이 CDMA 무선 통신 시스템에서와 같은 포워드 링크 빔-형성 과정에 동일하게 적용될 수 있다고 하더라도, 본 발명은 이동국에서 기지국으로의 리버스 링크를 고려한다. 또한, 본 실시예의 전송기 및 수신기가 시연 목적(demonstration purpose)의 CDMA2000 시스템과 유사하더라도, 본 발명은, 스마트 안테나의 웨이트 벡터(weight vector)가 수렴 파라미터를 가지고 적응성있게 발생되는 경우 W-CDMA 시스템과 같은 다른 CDMA 시스템들에 또한 적용될 수 있다. Although the present invention can be equally applied to a forward link beam-forming process as in a CDMA wireless communication system, the present invention contemplates a reverse link from a mobile station to a base station. In addition, although the transmitter and receiver of this embodiment are similar to the CDMA2000 system for demonstration purposes, the present invention relates to a W-CDMA system when the weight vector of the smart antenna is adaptively generated with a convergence parameter. The same may also apply to other CDMA systems.

도1은 CDMA2000 또는 W-CDMA와 같은 CDMA 시스템에 대한 복소 PN 시퀀스(complex PN sequence)에 의해 스프레드된(spread) 예시적 전송기이다. 파일럿 채널(pilot channel)에 있는 I-채널 입력 데이터 스트림(101)

Figure 112003000346145-pct00003
은 1 또는 알려진 패턴의 ±1의 시퀀스이고, 트래픽 채널(traffic channel)에 있는 Q-채널 입력 데이터 스트림(105)
Figure 112003000346145-pct00004
은 ±1의 랜덤 시퀀스이다. 여기에서 k는 코드 심볼 인덱스를 나타내고 n은 사용자 인덱스를 나타낸다. 파일럿 진폭(103) A0는 1로 설정되고 왈시 코드(107)
Figure 112003000346145-pct00005
은 ±1로 설정된다. i는 칩 인덱스(chip index)를 나타낸다. 각각의 코드 심볼은 G 칩들로 스프레드되고, 여기에서 G는 스프레딩 팩터(spreading factor, SF)로 불린다. I 및 Q 데이터는 복소 PN 스프레드 신호(108)
Figure 112003000346145-pct00006
이다. PN 스프레드 신호는 다음과 같이 쓸 수 있다. 1 is an exemplary transmitter spread by a complex PN sequence for a CDMA system such as CDMA2000 or W-CDMA. I-channel input data stream 101 in pilot channel
Figure 112003000346145-pct00003
Is a sequence of 1 or ± 1 of a known pattern, and the Q-channel input data stream 105 in the traffic channel
Figure 112003000346145-pct00004
Is a random sequence of ± 1. Where k represents a code symbol index and n represents a user index. Pilot amplitude (103) A 0 is set to 1 and Walsh code (107)
Figure 112003000346145-pct00005
Is set to ± 1. i represents a chip index. Each code symbol is spread over G chips, where G is called the spreading factor (SF). I and Q data are complex PN spread signals 108
Figure 112003000346145-pct00006
to be. The PN spread signal can be written as

Figure 112003000346145-pct00007
(1)
Figure 112003000346145-pct00007
(One)

j는 (-1)의 양의 제곱근이다. 펄스 형성 필터(pulse shaping filter)(109) H(f) 후의 동일한 로우패스 신호(equivalent lowpass signal)는

Figure 112003000346145-pct00008
와 같이 표현된다. n번째 사용자로부터의 전송된 신호(111) sn(t)는 다음과 같이 쓸 수 있다.j is the positive square root of (-1). The same lowpass signal after pulse shaping filter 109 H (f)
Figure 112003000346145-pct00008
It is expressed as The transmitted signal 111 s n (t) from the nth user can be written as follows.

Figure 112003000346145-pct00009
(2)
Figure 112003000346145-pct00009
(2)

t는 시간 변수이고, Re{z}는 복소수 z의 실수부이고, P는 전송된 전력이고, fc는 캐리어 주파수이고, e는 지수 연산기호이고, Tc는 칩 시간 인터벌이다. t is the time variable, Re {z} is the real part of complex z, P is the transmitted power, f c is the carrier frequency, e is the exponential operator, and T c is the chip time interval.

도2는 CDMA 리버스 링크에 대해 스마트 안테나를 갖는 예시적 수신기 블록 다이아그램을 보여준다. 본 발명은 도2의 스마트 안테나의 성능을 개선한다. 안테나 배열 요소들(201)의 수는 M이다. 배열 요소 간격(array element spacing) d는 λ/2로 설정된다. 여기에서 λ는 빛의 속도를 캐리어 주파수로 나눈 것과 같은 파장이다. 요소들 사이의 최대 거리는 (M-1)λ/2 이하이기 때문에(캐리어 주파수가 1.9GHz이고 M=5일 때, 31.6cm), 상기 신호들은 각 요소에 실질적으로 동일하게 도착한다. 레퍼런스 및 m번째 요소 출력 사이의 배열 요소 간격에 따른 상대적 위상 차는 다음과 같다. 2 shows an example receiver block diagram with a smart antenna for CDMA reverse link. The present invention improves the performance of the smart antenna of FIG. The number of antenna array elements 201 is M. The array element spacing d is set to λ / 2. Where λ is the same wavelength as the speed of light divided by the carrier frequency. Since the maximum distance between the elements is (M-1) λ / 2 or less (31.6 cm when the carrier frequency is 1.9 GHz and M = 5), the signals arrive at each element substantially equally. The relative phase difference according to the array element spacing between the reference and mth element outputs is

Figure 112003000346145-pct00010
θ는 희망 신호의 DOA이다. 상기 제1 요소는 레퍼런스 요소로 설정된다. 상기 안테나 배열 응답 벡터 a(θ)는 다음과 같이 쓰여질 수 있다.
Figure 112003000346145-pct00010
θ is the DOA of the desired signal. The first element is set as a reference element. The antenna array response vector a (θ) may be written as follows.

Figure 112003000346145-pct00011
(3)
Figure 112003000346145-pct00011
(3)

T는 트랜스포즈 연산기호(transpose operator)이다.T is a transpose operator.

m번째 요소에서의 수신된 신호(m=1,...,M)는 다음과 같이 쓰여질 수 있다.The received signals (m = 1, ..., M) at the mth element can be written as

Figure 112003000346145-pct00012
(4)
Figure 112003000346145-pct00012
(4)

τl,n, αl,n(t), φl,n(t) 및 θl,n(t)는 각각 사용자 n으로부터의 l번째 패스(path)의 멀티패스 지연, 진폭, 위상 및 DOA이고, nm,l(t)는 AWGN(additive white Gaussian noise)(203)이다. 각 요소의 출력은 주파수 다운 변환된다(frequency down converted). 베이스밴드 필터 출력들(205)은 매 칩 인터벌마다 샘플링되고 xl,m(i)로 표시된다. 스마트 안테나 프로세서(207)는 pre-PN 처리 칩 벡터들 x l(i) 및 post-PN 처리 칩 벡터들 y l(i)를 취한다. 파일럿-원조 채널 추정들(pilot-aided channel estimates)(211)은, Np 칩들의 인터벌 상의 post PN 디스프레드(209) 샘플들의 평균을 취함으로써 얻어진다. 공간적 및 시간적 RAKE 결합(spatial and temporal RAKE combining)(213)은 m=1,...,M 안테나 요소들 및 l=1,...,L 핑거들(fingers) 상에서 수행된다. 컨볼루션 인코더가 전송기에 채용된다면, 도2의 소프트 결정 변수 u(k)(221)는 k번째 코드 심볼 디코딩에 대해 소프트 결정(217) 또는 하드 결정(219) 값으로 비터비 컨볼루션 디코더(Viterbi convolutional decoder)(215)로 보내진다. τ l, n , α l, n (t), φ l, n (t) and θ l, n (t) are the multipath delay, amplitude, phase and DOA of the lth path from user n, respectively. And n m, l (t) is additive white Gaussian noise (AWGN) 203. The output of each element is frequency down converted. Baseband filter outputs 205 are sampled every chip interval and denoted by x l, m (i). The smart antenna processor 207 takes pre-PN processing chip vectors x l (i) and post-PN processing chip vectors y l (i). Pilot-aided channel estimates 211 are obtained by taking the average of post PN despread 209 samples over an interval of N p chips. Spatial and temporal RAKE combining 213 is performed on m = 1, ..., M antenna elements and l = 1, ..., L fingers. If a convolutional encoder is employed at the transmitter, the soft decision variable u (k) 221 of Figure 2 is a Viterbi convolutional decoder (Viterbi) with the soft decision 217 or hard decision 219 value for the kth code symbol decoding. convolutional decoder 215.

바람직하게는, 본 발명은 Choi에 사용된 것과 같은 최대 출력 전력 표준(maximum output power criteria)에 기초하여 스마트 안테나를 채용한다. 스마트 안테나 웨이트 벡터(weight vector)가 적응성 알고리즘을 가지고 업데이트되는 한, 다른 표준들도 사용될 수 있다. Choi 또는 다른 기존 알고리즘들에서 일정한 수렴 파라미터 μ가 사용된다. Preferably, the present invention employs a smart antenna based on maximum output power criteria as used in Choi. Other standards may be used as long as the smart antenna weight vector is updated with an adaptive algorithm. In Choi or other existing algorithms a constant convergence parameter μ is used.

최대 출력 전력 표준에 기초한 코스트 함수(cost function)는 다음과 같이 쓸 수 있다. The cost function based on the maximum output power standard can be written as

Figure 112003000346145-pct00013
(5)
Figure 112003000346145-pct00013
(5)

w H(k)는 M by 1 웨이트 벡터 w(k)의 Hermition, 즉, 켤레 및 트랜스포즈(conjugate and transpose)이고, y(k)는 post PN 디스프레드 옵저브드 M by 1 벡터(post PN despread observed M by 1 vector)이고, m번째 요소 ym(k)는 G 칩 인터벌들 상에서 도2에 있는 post PN 디스프레드 샘플들 ym(i)의 합이고, Ryy(k)는 y(k)의 M by M 오토-코릴레이션 매트릭스(auto-correlation matrix)이고, γ(k) 는 제약 조건(constraint) w H(k)w(k)=1에 대한 라그랑지 곱수(LaGrange multiplier)이다. 핑거 인덱스 l(finger index l)은 간결성을 위해 이후로는 생략된다. 그리고 k는 업데이트 시간 인덱스를 나타내고, 반복 또는 스냅샷 인덱스(iteration or snapshot index)로 불리운다. 바람직한 실시예에서, 업데이트 속도가 코드 심볼 속도보다 더 빠를 수 있더라도, 업데이트 속도는 코드 심볼 속도로 설정된다. 각각의 반복, 또는 스냅샷에서, 웨이트 벡터는

Figure 112003000346145-pct00014
로 업데이트되고 여기에서
Figure 112003000346145-pct00015
w(k)에 대해 방정식(5)에 주어진 코스트 함수 J(w(k))에 대한 그레디언트 벡터(gradient vector)이고, μ는 수렴 파라미터이다. 상기 업데이트된 웨이트 벡터는 다음과 같이 쓸 수 있다. w H (k) is the Hermition of the M by 1 weight vector w (k), ie conjugate and transpose, and y (k) is the post PN deprecated M by 1 vector (post PN despread). observed M by 1 vector), the mth element y m (k) is the sum of the post PN spread samples y m (i) in FIG. 2 on the G chip intervals, and R yy (k) is y (k) ) Is the M by M auto-correlation matrix, and γ (k) is the LaGrange multiplier for the constraint w H (k) w (k) = 1. Finger index l is omitted later for brevity. K denotes the update time index and is called an iteration or snapshot index. In the preferred embodiment, although the update rate may be faster than the code symbol rate, the update rate is set to the code symbol rate. In each iteration, or snapshot, the weight vector
Figure 112003000346145-pct00014
Updated to here
Figure 112003000346145-pct00015
Is the gradient vector (vector gradient) for a given cost function J (w (k)) in the equation (5) for w (k), μ is a convergence parameter. The updated weight vector can be written as follows.

Figure 112003000346145-pct00016
(6)
Figure 112003000346145-pct00016
(6)

Figure 112003000346145-pct00017
는 적응성 필터 출력이고 Ryy(k)는 y(k)y H(k)로 근사화된다.(만일 라그랑지 곱수 γ(k)가 상수값 γ를 사용하는 대신에 제약 조건(constraint) w H(k)w(k)=1 하에서 매 스냅샷마다 업데이트된다면, γ(k)는 반복이 계속됨에 따라 Ryy의 최대 고유값으로 수렴된다.)
Figure 112003000346145-pct00017
Is an adaptive filter output and R yy (k) is approximated to y (k) y H (k) (if the Lagrange multiplier γ (k) uses a constant value γ, the constraint w H ( k) If w (k) = 1 is updated every snapshot, then γ (k) converges to the maximum eigenvalue of R yy as the iteration continues.)

종래 알려진 적응성 필터들은, 경험적으로 상수로서 방정식(6)에 있는 수렴 파라미터 μ를 결정한다. 채널 환경이 계속 변하는 경우에 수렴 파라미터 μ를 결 정하는 것은 어려운 과정이다. 수렴 파라미터 값 μ는 적응성 알고리즘의 수렴 속도에 영향을 미친다. 만일 μ가 작다면, 수렴 속도는 낮지만 MSE의 초과는 작고, 그 역이 될 수도 있다. 바람직하게는 항상 일정한 수렴 파라미터를 채용하는 대신에 매 스냅샷 동안, 본 발명은 수렴 파라미터 μ(k)를 적응성있게 업데이트한다. 본 발명은 라그랑지 곱셉자 γ(k)를 Ryy의 최대 고유값과 같은 상수값, 즉 γ(k)=M으로 고정한다. 왜냐하면 적응성 γ(k)는 수렴 속도를 변화시키지 않기 때문이다. 그래서, 방정식(5)의 코스트 함수는 본 발명에 대해서 다음과 같이 변화된다.Conventionally known adaptive filters empirically determine the convergence parameter μ in equation (6) as a constant. Determining the convergence parameter μ is a difficult process if the channel environment continues to change. The convergence parameter value μ affects the convergence speed of the adaptive algorithm. If μ is small, the convergence rate is low but the excess of MSE is small and vice versa. Preferably during every snapshot instead of always employing a constant convergence parameter, the present invention adaptively updates the convergence parameter μ (k). The present invention fixes Lagrangian multiceptor γ (k) to a constant value equal to the maximum eigenvalue of R yy , ie γ (k) = M. This is because the adaptive γ (k) does not change the convergence speed. Thus, the cost function of equation (5) changes as follows for the present invention.

Figure 112003000346145-pct00018
(8)
Figure 112003000346145-pct00018
(8)

그리고 방정식(6)의 새 웨이트 벡터 w(k+1)은 다음과 같고,And the new weight vector w (k + 1) in equation (6) is

Figure 112003000346145-pct00019
(9)
Figure 112003000346145-pct00019
(9)

그레디언트

Figure 112003000346145-pct00020
를 구하고 그것을 다음의 업데이트 방정식에 대입한다.:
Figure 112003000346145-pct00021
Figure 112003000346145-pct00022
또한, μ(k)에 대해 방정식(8)에서 코스트 함수의 미분을 취하고 그것을 0으로 함으로써, 코스트 함수를 최소화하기 위한 최적 적응성 수렴 파라미터 μ(k)가 다음과 같이 구해진다.Gradient
Figure 112003000346145-pct00020
And replace it with the following update equation:
Figure 112003000346145-pct00021
Figure 112003000346145-pct00022
Further, by taking the derivative of the cost function in equation (8) with respect to μ (k) and making it zero, the optimal adaptive convergence parameter μ (k) for minimizing the cost function is obtained as follows.

Figure 112003000346145-pct00023
(10)
Figure 112003000346145-pct00023
10

여기에서 |z(k)|는 복소 배열 출력 z(k)의 크기이고

Figure 112003000346145-pct00024
는 옵저브드 post PN 디스프레드 백터(observed post PN despread vector) y(k)의 내적(inner product)이다.Where | z (k) | is the magnitude of the complex array output z (k)
Figure 112003000346145-pct00024
Is the inner product of the observed post PN despread vector y (k).

발견적 적응성 수렴 파라미터 μ(k)는 다음과 같이 구해진다.The heuristic adaptive convergence parameter μ (k) is obtained as follows.

Figure 112003000346145-pct00025
(11)
Figure 112003000346145-pct00025
(11)

방정식(11)의 발견적 적응성 수렴 파라미터는 일리가 있다. 웨이트 벡터 w(k)가 방정식(3)의 채널 배열 응답 벡터 a(θ(k))와 부합(matching)되지 않는 경우, 상기 배열 출력

Figure 112003000346145-pct00026
는 작은 전력을 갖고 상기 적응성 수렴 파라미터 μ(k)는 클 것이고 수렴 단계는 반복 k에서 크고 검색 처리는 속도가 빨라질 수 있다. 웨이트 벡터 w(k)가 채널 배열 응답 벡터 a(θ(k))와 매칭하는 경우, 상기 배열 출력
Figure 112003000346145-pct00027
는 M2과 같은 최대 출력 전력을 갖고 적응성 수렴 파라미터 μ(k)는 작아지고 초과 MSE는 작아질 것이다. The heuristic adaptive convergence parameter of equation (11) makes sense. The array output if the weight vector w (k) does not match the channel array response vector a (θ (k)) of equation (3)
Figure 112003000346145-pct00026
Has small power and the adaptive convergence parameter μ (k) is large and the convergence step is large at the iteration k and the search process can be speeded up. The array output if the weight vector w (k) matches the channel array response vector a (θ (k))
Figure 112003000346145-pct00027
Has a maximum output power equal to M 2 and the adaptive convergence parameter μ (k) will be small and the excess MSE will be small.

본 발명의 스마트 안테나의 수렴은 방정식(9)를 검토함을 통해 확인할 수 있다. 업데이트 웨이트 벡터는 다음과 같이 다시 쓸 수 있다. The convergence of the smart antenna of the present invention can be confirmed by examining Equation (9). The update weight vector can be rewritten as:

Figure 112003000346145-pct00028
(12)
Figure 112003000346145-pct00028
(12)

Figure 112003000346145-pct00029
(13)
Figure 112003000346145-pct00029
(13)

Figure 112003000346145-pct00030
(14)
Figure 112003000346145-pct00030
(14)

Figure 112003000346145-pct00031
(15)
Figure 112003000346145-pct00031
(15)

여기에서 Q는 Ryy=QΛQH를 만족시키는 유니타리 매트릭스(unitary matrix)이고, Λ는 매트릭스 Ryy의 i번째로 가장 큰 고유값과 같은 i번째 대각선 요소를 갖는 대각선 매트릭스이고, w(0)은 (1,1,...,1)T로 설정된 처음 웨이트 벡터(initial weight vector)이다. 방정식(15)의 (k+1) 제곱된 괄호 매트릭스는 대각선 매트릭스이고

Figure 112003000346145-pct00032
라면 반복이 계속됨에 따라 대각선 값들은 감소한다. 그래서, γ는 λmax=M으로 설정된다.Where Q is a unitary matrix that satisfies R yy = QΛQ H , Λ is a diagonal matrix with the i-th diagonal element equal to the i-th largest eigenvalue of the matrix R yy , and w (0) Is the initial weight vector set to (1,1, ..., 1) T. The (k + 1) squared parenthesis matrix of equation (15) is a diagonal matrix
Figure 112003000346145-pct00032
If it is, the diagonal values decrease as the iteration continues. Thus, γ is set to λ max = M.

비교 목적을 위해서, 스마트 안테나 애플리케이션에 대해 위너 필터(Wiener filer)가 다시 검토된다. M by 1 PN-디스프레드 출력 벡터는

Figure 112003000346145-pct00033
로 나타내어 지고 여기에서 b1a1)은 각각 ±1의 데이터 비트 및 사용자1로부터의 DOA θ1의 배열 응답 벡터이고, n(k)는 방해 플러스 열 잡음 벡터(interference plus thermal noise vector)이다. 희망되는 적응성 필터 출력 또는 레퍼런스 신호는 위너 필터에 대해
Figure 112003000346145-pct00034
으로 설정될 수 있다. 이상적으로는, 크로스 코릴레이션 벡터(cross correlation vector) p는 다음과 같이 쓸 수 있다.For comparison purposes, the Wiener filer is again reviewed for smart antenna applications. M by 1 PN-spread output vector
Figure 112003000346145-pct00033
Where b 1 and a1 ) are the data bits of ± 1 and array response vector of DOA θ 1 from User 1, respectively, and n (k) is the interference plus thermal noise vector )to be. The desired adaptive filter output or reference signal can be
Figure 112003000346145-pct00034
Can be set. Ideally, the cross correlation vector p can be written as

Figure 112003000346145-pct00035
(16)
Figure 112003000346145-pct00035
(16)

Figure 112003000346145-pct00036
(17)
Figure 112003000346145-pct00036
(17)

Figure 112003000346145-pct00037
(18)
Figure 112003000346145-pct00037
(18)

그러면, 이상적 위너 해(Wiener solution)는 다음과 같이 얻어 질 수 있다.Then, an ideal Wiener solution can be obtained as follows.

Figure 112003000346145-pct00038
(19)
Figure 112003000346145-pct00038
(19)

Figure 112003000346145-pct00039
(20)
Figure 112003000346145-pct00039
20

Figure 112003000346145-pct00040
(21)
Figure 112003000346145-pct00040
(21)

Figure 112003000346145-pct00041
(22)
Figure 112003000346145-pct00041
(22)

Figure 112003000346145-pct00042
(23)
Figure 112003000346145-pct00042
(23)

Figure 112003000346145-pct00043
(24)
Figure 112003000346145-pct00043
(24)

Figure 112003000346145-pct00044
(25)
Figure 112003000346145-pct00044
(25)

Figure 112003000346145-pct00045
(26)
Figure 112003000346145-pct00045
(26)

방정식(22)에서

Figure 112003000346145-pct00046
이 사용되었다. 방정식(26)에 있는 배열 응답 벡터 a1)은 페이딩 위상 왜곡을 보상하고 DOA 콤포넌트들(DOA components)을 각각의 요소에만 유지시키기 위해 파일럿 채널 추정의 켤레(conjugate)를 곱함으로써 얻어질 수 있다. 위너 필터에 대한 시뮬레이션 테스트 결과들은, 최적 적응성 수렴 파라미터에 대한 방정식(9) 및 (10)의 쌍과 발견적 적응성 수렴 파라미터 알고리즘에 대한 방정식(9) 및 (11)의 쌍을 사용함으로써 본 발명으로 얻어진 결과들과 비교된다. In equation (22)
Figure 112003000346145-pct00046
This was used. The array response vector a1 ) in equation (26) can be obtained by multiplying the conjugate of the pilot channel estimate to compensate for fading phase distortion and keep the DOA components only on each element. have. Simulation test results for the Wiener filter can be obtained by using a pair of equations (9) and (10) for the optimal adaptive convergence parameter and a pair of equations (9) and (11) for the heuristic adaptive convergence parameter algorithm. The results obtained are compared.

비교를 위해, 다른 전형적인 적응성 알고리즘들도 시뮬레이션을 통해 테스트되어 본 발명과 비교된다. 예를 들어, LMS(least mean square), NLMS(normalized least mean square), RLS(recursive least square), 본원 발명자들에 의해 제안된 MMSE(minimum mean square error), Choi 디바이스, 및 배열 응답 벡터로 설정된 퍼펙트 웨이트 벡터(perfect weight vector)를 갖는 적응성 알고리즘이 시뮬레이션을 통해 테스트된다. 만일 상기 알고리즘이 Ryy를 요구한다면 순간 매트릭스(instantaneous matrix)

Figure 112003000346145-pct00047
는 모든 적응성 알고리즘들에 대해 사용된다. 이러한 근사는 채널이 에지 효과들 및 멀티패스 페이딩 환경들을 겪는 도시 환경에 대해 일리가 있다. 위너 필터는 순수 AWGN 정적 환경 하에서의 최적 해이다. 그러나, 위너 해는 빈번한 에지 효과들을 겪는 채널 하에서 최선이 되지는 않는다. 또한, 퍼펙트 웨이트 벡터가 채용된다고 할지라도, 잡음 벡터의 존재 때문에 어떤 저하(degradation)가 예상된다. 본 발명의 한가지 실시예를 포함하는 시뮬레이션 테스트 환경들에 대한 파라미터들이 표1에 나열되어 있다. For comparison, other typical adaptive algorithms are also tested by simulation and compared with the present invention. For example, it is set to a least mean square (LMS), a normalized least mean square (NLMS), a recursive least square (RLS), a minimum mean square error (MMSE) proposed by the present inventors, a Choi device, and an array response vector. An adaptive algorithm with a perfect weight vector is tested through simulation. If the algorithm requires R yy , then an instantaneous matrix
Figure 112003000346145-pct00047
Is used for all adaptive algorithms. This approximation makes sense for an urban environment where the channel experiences edge effects and multipath fading environments. Winner filter is the optimal solution under pure AWGN static environment. However, the Wiener solution is not the best under a channel experiencing frequent edge effects. Also, even if a perfect weight vector is employed, some degradation is expected due to the presence of the noise vector. Parameters for simulation test environments that include one embodiment of the present invention are listed in Table 1.

Figure 112003000346145-pct00048
Figure 112003000346145-pct00048

도3 및 도4는, 방정식의 쌍 {(9),(10)} 및 {(9),(11)}을 각각 사용하는 본 발명에서의 발견적 적응성 수렴 파라미터 알고리즘 및 최적 적응성 알고리즘들에 대한 플로우 차트를 각각 보여준다. 3 and 4 illustrate the heuristic adaptive convergence parameter algorithm and the optimal adaptive algorithms in the present invention using a pair of equations {(9), (10)} and {(9), (11)}, respectively. Show each flow chart.

도3은 스마트 안테나 프로세서에 대한 적응성 수렴 알고리즘을 예시한다. 3 illustrates an adaptive convergence algorithm for a smart antenna processor.

단계301에서, 시스템은 (1,...,1)로 설정된 웨이트 벡터 w(0)으로 처음 추측(initial guess)을 만들고, 라그랑지 곱수 γ를 λmax(M과 같다.)로 고정한다. 단계303에서, 새 신호(new signal)가 수신되고 post PN 디스프레드 신호가 옵저브되어(observed) 새 신호 벡터 y(k)로 얻어진다. 단계305 및 307은 스마트 안테나 프로세서에 대응한다(도2에서 207). 단계305에서, 배열 출력은 복소 배열 출력 z(k)로 결정되고, 최적 적응성 수렴 파라미터 μ(k)가 결정된다(방정식(10)에 따라). 단계307에서, 새 웨이트 벡터 w(k+1)이 결정된다(방정식(9)에 따라).In step 301, the system makes an initial guess with the weight vector w (0) set to (1, ..., 1), and fixes the Lagrange product γ to λ max (equal to M). In step 303, a new signal is received and the post PN despread signal is observed to obtain a new signal vector y (k). Steps 305 and 307 correspond to the smart antenna processor (207 in FIG. 2). In step 305, the array output is determined by the complex array output z (k), and the optimal adaptive convergence parameter [mu] (k) is determined (according to equation (10)). In step 307, a new weight vector w (k + 1) is determined (according to equation (9)).

도4는 스마트 안테나 프로세서에 대해 적응성 수렴 알고리즘의 대안적 실시예를 예시한다. 이 실시예는 발견적인 것이다.4 illustrates an alternative embodiment of an adaptive convergence algorithm for a smart antenna processor. This embodiment is heuristic.

단계401에서, 시스템은 웨이트 벡터로 처음 추측을 만들고 라그랑지 곱수를 상수로 고정한다. 단계403에서, 새 신호가 수신되고 post PN 디스프레드 y(k)가 얻어진다. 단계405에서, 배열 출력이 복소 배열 출력 z(k)로 결정되고, 적응성 수렴 파라미터 μ(k)가 결정된다(방정식(11)에 따라). 단계407에서, 새 웨이트 벡터 w(k+1)이 결정된다(방정식(9)에 따라).In step 401, the system makes an initial guess with the weight vector and locks the Lagrange product to a constant. In step 403, a new signal is received and a post PN spread y (k) is obtained. In step 405, the array output is determined to be a complex array output z (k), and the adaptive convergence parameter [mu] (k) is determined (according to equation (11)). In step 407, a new weight vector w (k + 1) is determined (according to equation (9)).

도5는 서로 다른 적응성 알고리즘들에 대해 반복(즉, 스냅샷) 인덱스 k에 대한 DOA 추정들의 단일 실현(single realizaton)을 보여준다. LMS, NLMS, 및 RLS에 대한 결과들도 시뮬레이션을 통해 테스트되었지만, 도5에 도시되지는 않는다. 이러한 알고리즘들은 페이딩 위상, 열 잡음 위상, 및 DOA를 포함하는 입력의 총 각도를 추적한다. 반면에 본 발명의 2개의 적응성 수렴 파라미터 알고리즘들(optimum mu 및 heuristic mu), 본원 발명자들에 의한 동시 계류중인 미국 특허 공개에 있는 MMSE, 위너, 및 Choi의 알고리즘들은 DOAs를 분리하여 추적할 수 있다. 스냅샷 속도는 코드 심볼 속도로 설정되기 때문에 각각의 스냅샷은 웨이트 벡터를 업데이트 하기 위해 G개의 칩들을 취한다. 에지 효과, 또는 희망 신호의 DOA는 10번째 반복에서 0°에서 40°로 비약한다. 모든 알고리즘들에 대한 처음 웨이트 벡터들(initial weight vectors)은, 10번째 반복에서 제1 에지 효과 발생 전에 추정된 DOA가 0°와 같도록 설정된다. 도5는 스마트 안테나 알고리즘이 빠른 수렴 속도와 작은 MSE를 갖는다는 것을 가리킨다. 5 shows a single realizaton of DOA estimates for the iterative (ie snapshot) index k for different adaptive algorithms. Results for LMS, NLMS, and RLS were also tested through simulations, but are not shown in FIG. These algorithms track the total angle of input including fading phase, thermal noise phase, and DOA. On the other hand, the two adaptive convergence parameter algorithms (optimum mu and heuristic mu) of the present invention, the algorithms of MMSE, Winner, and Choi in the co-pending US patent publication by the inventors can track DOAs separately. . Since the snapshot rate is set to the code symbol rate, each snapshot takes G chips to update the weight vector. The edge effect, or DOA of the desired signal, leaps from 0 ° to 40 ° in the 10th iteration. Initial weight vectors for all algorithms are set such that the estimated DOA equals 0 ° before the first edge effect occurs in the tenth iteration. 5 indicates that the smart antenna algorithm has a fast convergence rate and a small MSE.

또한, 도5는, 본 발명의 2개의 적응성 수렴 알고리즘들이 단지 4번의 반복들을 취하고 반면에 Choi의 발명은 40°와 같은 타깃 DOA(target DOA)의 90%에 이르기 위해 22번의 반복들을 취한다는 것을 가리킨다. 위너 알고리즘은 본 발명보다 더 빠르게 수렴할 수 있지만, 정상 상태에서 큰 리플들(ripples)을 보인다. 그래서, 본 발명에서와 같은 적응성 수렴 알고리즘들은 수렴 속도 및 정상 상태에서의 MSE의 관점에서 더 양호하게 동작하도록 할 수 있다.In addition, Figure 5 shows that the two adaptive convergence algorithms of the present invention take only four iterations, while Choi's invention takes 22 iterations to reach 90% of the target DOA, such as 40 °. Point. The Winner algorithm can converge faster than the present invention, but shows large ripples in steady state. Thus, adaptive convergence algorithms such as in the present invention can be made to work better in terms of convergence rate and MSE in steady state.

도6은 본 발명의 2개의 적응성 수렴 알고리즘들에 대한 도5로부터의 2개의 곡선들(optimum mu 및 heuristic mu)을 보여준다. 방정식(9) 및 (10)의 최적 적응성 수렴 파라미터 알고리즘의 각 추적 행동은 방정식(9) 및 (11)의 발견적 적응성 수렴 파라미터 알고리즘의 각 추적 행동보다 약간 더 빠르다. 그러나, 최적 μ(k)는 방정식(8)의 코스트 함수 J(w(k))를 최소화하지만 MSE를 최소화할 필요가 없기 때문에 최적 수렴 파라미터 알고리즘의 MSE는 발견적 적응성 수렴 파라미터 알고리즘의 MSE보다 약간 더 클 수 있다. Figure 6 shows two curves (optimum mu and heuristic mu) from Figure 5 for the two adaptive convergence algorithms of the present invention. Each tracking behavior of the optimal adaptive convergence parameter algorithms of equations (9) and (10) is slightly faster than each tracking behavior of the heuristic adaptive convergence parameter algorithm of equations (9) and (11). However, since the optimal μ (k) minimizes the cost function J ( w (k)) of equation (8) but does not need to minimize MSE, the MSE of the optimal convergence parameter algorithm is slightly less than the MSE of the heuristic adaptive convergence parameter algorithm. Can be larger.

도7은 서로 다른 적응성 알고리즘들을 사용함으로써 20ms의 프레임 인터벌의 에지 효과 발생의 수에 대한 스마트 안테나를 갖는 CDMA 시스템의 코딩되지 않은 BER 성능을 보여준다. 모든 알고리즘들의 BER 성능은 서로 비슷하다. 본 발명의 적응성 수렴 알고리즘들 및 Choi의 알고리즘은 거의 유사하고 다른것들보다 약간 더 양호하다. 퍼펙트 웨이트 벡터를 갖는 알고리즘의 BER은 이론적인 BER과 부합된다. 7 shows the uncoded BER performance of a CDMA system with a smart antenna for the number of edge effect occurrences of a frame interval of 20 ms by using different adaptive algorithms. All algorithms have similar BER performance. The adaptive convergence algorithms of the present invention and Choi's algorithm are almost similar and slightly better than others. The BER of the algorithm with the perfect weight vector is consistent with the theoretical BER.

표2는 각각의 스마트 안테나에 대한 스냅샷 당 계산들의 수의 목록이고, M은, Choi의 디바이스보다 스냅샷 당 더 작은 수의 계산들을 보여주는 본 발명의 한가지 실시예에 따라 구성된 안테나 배열 요소들의 수이다. 표2는 스냅샷 당 복소 계산들의 수를 요약한다. RLS는 가장 많은 스냅샷 당 계산의 수를 요구하고, 위너는 가장 적은 스냅샷 당 계산의 수를 요구한다. 본 발명의 적응성 수렴 알고리즘에 대한 스냅샷 당 계산들의 수는 Choi의 디바이스보다 적다. Table 2 is a list of the number of calculations per snapshot for each smart antenna, and M is the number of antenna array elements constructed according to one embodiment of the present invention showing a smaller number of calculations per snapshot than Choi's device. to be. Table 2 summarizes the number of complex calculations per snapshot. RLS requires the largest number of calculations per snapshot, and Winner requires the smallest number of calculations per snapshot. The number of calculations per snapshot for the adaptive convergence algorithm of the present invention is less than Choi's device.

Figure 112003000346145-pct00049
Figure 112003000346145-pct00049

끝으로, 희망 사용자 신호로부터의 DOA의 추정

Figure 112003000346145-pct00050
는 본 발명의 적응성 알 고리즘들에 의해 얻어질 수 있다. 스마트 안테나가 희망 신호로부터 DOA를 추적하고 웨이트 벡터가 웨이트 벡터의 제1 요소에 의해 매 반복마다 정규화되는 경우에 웨이트 벡터 w(k)는 방정식(3)의 배열 응답 벡터 a(θ)에 접근할 것이다. 상기 DOA의 추정은 다음과 같이 얻어질 수 있다. Finally, the estimation of the DOA from the desired user signal
Figure 112003000346145-pct00050
Can be obtained by the adaptive algorithms of the present invention. If the smart antenna tracks the DOA from the desired signal and the weight vector is normalized every iteration by the first element of the weight vector, the weight vector w (k) will approach the array response vector a (θ) of equation (3). will be. The estimation of the DOA can be obtained as follows.

Figure 112003000346145-pct00051
(27)
Figure 112003000346145-pct00051
(27)

sin-1()은 아크사인 함수(arcsine function)이고, ∠z는 z의 각, w2(k)는 반복 k에서의 웨이트 벡터 w(k)의 제2 요소이고, π는 180°의 라디안 각도이다. 본 발명에 따라 얻어진 DOA 추정

Figure 112003000346145-pct00052
는 다른 경로 빔 형성, 즉, 포워드 링크 빔 형성에 대해 채용될 수 있다. 포워드 링크는 기지국으로부터 이동국으로의 채널을 암시하고, 리버스 링크는 이동국으로부터 기지국으로의 채널이다. 리버스 링크를 통해 본 발명으로 얻어진 웨이트 벡터 w(k)는, 포워드 및 리버스 링크 사이의 캐리어 주파수 차에 따른 위상 회전을 보상한 후 기지국의 전송기로부터 희망 이동 수신기의 수신기로의 포워드 링크 빔 형성에 대해 사용될 수 있다. 그래서, 상기 포워드 링크의 성능도 본 발명에 의해 개선될 수 있다.sin −1 () is an arcsine function, ∠z is the angle of z, w 2 (k) is the second element of the weight vector w (k) at the iteration k, and π is the radian of 180 ° Angle. DOA estimation obtained according to the present invention
Figure 112003000346145-pct00052
May be employed for other path beamforming, ie, forward link beamforming. The forward link implies a channel from the base station to the mobile station, and the reverse link is a channel from the mobile station to the base station. The weight vector w (k) obtained with the present invention on the reverse link is used for forward link beam formation from the transmitter of the base station to the receiver of the desired mobile receiver after compensating the phase rotation according to the carrier frequency difference between the forward and reverse links. Can be used. Thus, the performance of the forward link can also be improved by the present invention.

표3은 본 발명의 한가지 실시예에 따른 순간적 구간들(transient periods)을 포함하는 에지 효과들 하에서의 각각의 스마트 안테나에 대한 MSE 및 정상 상태 MSE의 목록이고, 경쟁 발명에 대해 비교가능한 MSE를 보여준다. 표3은 다음 2가지 경우들에 대해 몇몇 서로 다른 DOA 추적 알고리즘들에 대한 DOA 추정

Figure 112003000346145-pct00053
및 실제 DOA θ사이의 MSE를 열거한다. 즉, (1) 순간적 구간들을 포함하는 시뮬레이션 테스트 인터벌들, 및 (2) 정상 상태 부분들만의 2가지 경우들이다. 정상 상태 MSE는, 추적 각이 타깃 각도의 90%에 처음으로 도달하는 반복점으로부터 다음 에지 효과까지 매 에지 효과 인터벌마다 에러들의 제곱들을 평균함으로써 얻어진다. 10, 100, 및 1000 개의 에지 효과들이 시뮬레이션 테스트들에 대해 매 20ms 마다 랜덤하게 발생된다. 본 발명 및 Choi의 디바이스는 다른 것들보다 더 작은 정상 상태 MSE를 갖고, 위너는 가장 큰 정상 상태 MSE를 갖는다. Table 3 is a list of MSE and steady state MSE for each smart antenna under edge effects including transient periods in accordance with one embodiment of the present invention, and shows comparable MSE for competing inventions. Table 3 shows DOA estimates for several different DOA tracking algorithms for the following two cases:
Figure 112003000346145-pct00053
And MSE between actual DOA θ. That is, (1) simulation test intervals including instantaneous intervals, and (2) two cases of steady state portions only. Steady state MSE is obtained by averaging the squares of the errors every edge effect interval from the repeat point where the tracking angle first reaches 90% of the target angle to the next edge effect. 10, 100, and 1000 edge effects are randomly generated every 20 ms for simulation tests. The present invention and Choi's device have a smaller steady state MSE than others, and Winner has the largest steady state MSE.

Figure 112003000346145-pct00054
Figure 112003000346145-pct00054

결론적으로, 본 발명의 최적 또는 발견적 적응성 수렴 파라미터 알고리즘들을 갖는 스마트 안테나는, 특히 CDMA 리버스 링크에 대한 에지 효과 환경 하에서 종래 시스템들보다 더 효율적일 수 있다. 본 발명의 적응성 수렴 파라미터 알고리즘들은 종래 디바이스보다 훨씬 더 양호한 DOA 추적 능력 및 약간 더 양호한 비트 에러율 성능을 보여준다. 또한, 발견적 적응성 수렴 파라미터 알고리즘에 대한 스냅샷 당 계산 부담들의 수는 종래 디바이스에 있어서의 계산 부담들의 수보다 더 적다. In conclusion, a smart antenna with the optimal or heuristic adaptive convergence parameter algorithms of the present invention may be more efficient than conventional systems, especially under an edge effect environment for CDMA reverse link. The adaptive convergence parameter algorithms of the present invention show much better DOA tracking capability and slightly better bit error rate performance than conventional devices. In addition, the number of computational burdens per snapshot for the heuristic adaptive convergence parameter algorithm is less than the number of computational burdens in conventional devices.

본 발명을 실행하기 위한 바람직하고 최적의 방법들이 설명되었지만, 본 발명의 관련 분야에 익숙한 사람들은 본 발명을 실행하는 다양한 대안적인 설계들 및 실시예들이 가능함을 인식할 것이고, 그것들은 뒤따르는 청구범위의 범위 내에 들어갈 것이다. Although preferred and optimal methods for practicing the invention have been described, those skilled in the relevant art will recognize that various alternative designs and embodiments of practicing the invention are possible and they are the scope of the claims that follow. Will fall within the scope of.

Claims (26)

신호 수신 시스템을 무선 통신과 조합하여 사용하기 위한 신호 수신 방법에 있어서,A signal receiving method for using a signal receiving system in combination with wireless communication, 복수의 안테나로 신호를 수신하는 단계; 및Receiving signals with a plurality of antennas; And 적응성있게 변화되어 스마트 안테나 프로세서에 채용되는 적응성 수렴 파라미터를 이용하여 상기 수신된 신호를 처리하는 단계를 포함하고,Processing the received signal using an adaptive convergence parameter that is adaptively changed and is employed in a smart antenna processor, 상기 수신된 신호는,The received signal is,
Figure 112008017281843-pct00066
Figure 112008017281843-pct00066
(단, μ(k)는 적응성 수렴 파라미터, Where μ (k) is the adaptive convergence parameter, w H(k)는 M by 1 웨이트 벡터 w(k)의 Hermition, 즉, 켤레 및 트랜스포즈(conjugate and transpose), w H (k) is Hermition of the M by 1 weight vector w (k), ie conjugate and transpose, y(k)는 post PN 디스프레드 옵저브드 M by 1 벡터, y (k) is the post PN distracted M by 1 vector, w(k)는 웨이트 벡터, w (k) is the weight vector, z(k)는 적응성 필터 출력;z (k) is the adaptive filter output; γ는 상수값)γ is a constant value) 에 따라 처리되고,Processed according to, 상기 복수의 안테나는 다중 안테나 배열인, 신호 수신 방법.And the plurality of antennas is a multiple antenna array.
삭제delete 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 복수의 안테나는 다중 안테나들인, 신호 수신 방법.And the plurality of antennas are multiple antennas. 삭제delete 신호 수신 시스템을 무선 통신과 조합하여 사용하기 위한 신호 수신 방법에 있어서,A signal receiving method for using a signal receiving system in combination with wireless communication, 복수의 안테나로 신호를 수신하는 단계; 및Receiving signals with a plurality of antennas; And 적응성있게 변화되어 스마트 안테나 프로세서에 채용되는 적응성 수렴 파라미터를 이용하여 상기 수신된 신호를 처리하는 단계를 포함하고,Processing the received signal using an adaptive convergence parameter that is adaptively changed and is employed in a smart antenna processor, 상기 신호는,The signal is,
Figure 112008068052070-pct00067
Figure 112008068052070-pct00067
(단, μ(k)는 적응성 수렴 파라미터, Where μ (k) is the adaptive convergence parameter, w(k)는 웨이트 벡터, w (k) is the weight vector, z(k)는 적응성 필터 출력;z (k) is the adaptive filter output; γ는 상수값)γ is a constant value) 에 따라 처리되는, 신호 수신 방법.Which is processed according to the method.
제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 처리 단계는 안테나들에 대한 DOA(direction of arrival angle)를 추정하는 단계를 포함하고, 상기 DOA는 다른 신호 데이터와 분리되는, 신호 수신 방법.The processing step includes estimating a direction of arrival angle (DOA) for the antennas, wherein the DOA is separated from other signal data. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 더 양호한 웨이팅 계수(weighting coefficient)를 결정하는 단계를 더 포함하는, 신호 수신 방법.Determining a better weighting coefficient. 제6 항에 있어서,The method of claim 6, 포워드 링크 전송(forward link transmission)에서 DOA를 이용하는 단계를 더 포함하는, 신호 수신 방법.Using the DOA in forward link transmission. 제6 항에 있어서,The method of claim 6, 리버스 링크 전송(reverse link transmission)에서 DOA를 이용하는 단계를 더 포함하는, 신호 수신 방법.Using DOA in reverse link transmission. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 안테나들은 기지국 내에 있는, 신호 수신 방법.And the antennas are in a base station. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 안테나들은 이동국 내에 있는, 신호 수신 방법.And the antennas are in a mobile station. 무선 통신과 조합하여 사용하기 위한 신호 수신 시스템에 있어서,A signal receiving system for use in combination with wireless communication, 복수의 안테나로 수신된 신호에 응답하고 적응성있게 변화되어 스마트 안테나 프로세서에 채용되는 적응성 수렴 파라미터를 갖는 적어도 하나의 신호 프로세서를 포함하고,At least one signal processor having adaptive convergence parameters responsive to the signals received by the plurality of antennas and adaptively changed to be employed in the smart antenna processor, 상기 적어도 하나의 신호 프로세서에 있는 상기 적응성 수렴 파라미터는,
Figure 112008017281843-pct00068
The adaptive convergence parameter in the at least one signal processor is
Figure 112008017281843-pct00068
(단, μ(k)는 적응성 수렴 파라미터, Where μ (k) is the adaptive convergence parameter, w H(k)는 M by 1 웨이트 벡터 w(k)의 Hermition, 즉, 켤레 및 트랜스포즈(conjugate and transpose), w H (k) is Hermition of the M by 1 weight vector w (k), ie conjugate and transpose, y(k)는 post PN 디스프레드 옵저브드 M by 1 벡터, y (k) is the post PN distracted M by 1 vector, w(k)는 웨이트 벡터, w (k) is the weight vector, z(k)는 적응성 필터 출력;z (k) is the adaptive filter output; γ는 상수값)γ is a constant value) 이고,ego, 복수의 안테나를 더 포함하는 신호 수신 시스템.Signal receiving system further comprises a plurality of antennas.
삭제delete 제12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 복수의 안테나는 다중 안테나 배열을 포함하는, 신호 수신 시스템.And the plurality of antennas comprises a multiple antenna arrangement. 제12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 적어도 하나의 신호 프로세서에 연결된 전송기를 더 포함하는, 신호 수 신 시스템.And a transmitter coupled to the at least one signal processor. 제12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 적어도 하나의 신호 프로세서에 연결된 수신기를 더 포함하는, 신호 수신 시스템.And a receiver coupled to the at least one signal processor. 제12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 복수의 안테나는 다중 안테나들을 포함하는, 신호 수신 시스템.And the plurality of antennas comprises multiple antennas. 제12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 적어도 하나의 신호 프로세서는 필터를 포함하고, 상기 필터는 적응성 수렴 파라미터를 갖는, 신호 수신 시스템.And the at least one signal processor comprises a filter, the filter having an adaptive convergence parameter. 삭제delete 무선 통신과 조합하여 사용하기 위한 신호 수신 시스템에 있어서,A signal receiving system for use in combination with wireless communication, 복수의 안테나로 수신된 신호에 응답하고 적응성있게 변화되어 스마트 안테나 프로세서에 채용되는 적응성 수렴 파라미터를 갖는 적어도 하나의 신호 프로세서를 포함하고,At least one signal processor having adaptive convergence parameters responsive to the signals received by the plurality of antennas and adaptively changed to be employed in the smart antenna processor, 상기 적어도 하나의 신호 프로세서에 있는 상기 적응성 수렴 파라미터는,The adaptive convergence parameter in the at least one signal processor is
Figure 112008068052070-pct00069
Figure 112008068052070-pct00069
(단, μ(k)는 적응성 수렴 파라미터, Where μ (k) is the adaptive convergence parameter, w(k)는 웨이트 벡터, w (k) is the weight vector, z(k)는 적응성 필터 출력;z (k) is the adaptive filter output; γ는 상수값)γ is a constant value) 인, 신호 수신 시스템.Signal receiving system.
제12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 적어도 하나의 신호 프로세서는 복수의 안테나에 대한 DOA의 측정을 포함하고, 상기 측정된 DOA는 다른 신호 데이터와 분리되는, 신호 수신 시스템.Wherein the at least one signal processor comprises a measurement of DOA for a plurality of antennas, the measured DOA being separate from other signal data. 제12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 적어도 하나의 신호 프로세서는 더 양호한 웨이팅 계수의 결정을 포함하는, 신호 수신 시스템.And said at least one signal processor comprises the determination of a better weighting coefficient. 제21 항에 있어서,The method of claim 21, 상기 측정된 DOA는 포워드 링크 전송으로부터 얻어진, 신호 수신 시스템.And the measured DOA is obtained from forward link transmission. 제21 항에 있어서,The method of claim 21, 상기 측정된 DOA는 리버스 링크 전송으로부터 얻어진, 신호 수신 시스템.The measured DOA is obtained from a reverse link transmission. 제12 항에 있어서,The method of claim 12, 기지국을 더 포함하고, 상기 복수의 안테나는 상기 기지국 내에 있는, 신호 수신 시스템.And a base station, wherein the plurality of antennas are in the base station. 제12 항에 있어서,The method of claim 12, 이동국을 더 포함하고, 상기 복수의 안테나는 상기 이동국 내에 있는, 신호 수신 시스템.Further comprising a mobile station, wherein the plurality of antennas are in the mobile station.
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